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20, 7月 2022
天文学家与共和卫士阿拉戈

诞生于大革命中的巴黎综合工艺学校在拿破仑时代达到荣耀顶峰。1804年12月3日,刚加冕为法兰西皇帝的拿破仑在战神广场阅兵,亲手将一面写着“为了祖国的科学和荣誉”(Pour la patrie, les sciences et la gloire)的旗帜授予这所学校,代表学校接旗的是当年成绩排名第一的学生阿拉戈(Dominique Arago, 1786-1853), 后来成为著名的天文学家和物理学家,也是享誉世界的巴黎天文台第九任台长。

1803年,17岁的阿拉戈考入综合工艺学校,他对拉格朗日《分析力学》的理解引起考官勒让德尔的注意。入学后的第二年,阿拉戈就由泊松推荐担任巴黎天文台秘书,由此结识拉普拉斯、毕欧(其独子是法国早期汉学家之一,曾研究中国古代天文、数学、气象和地质学,翻译过《周礼》等经典)等科学家。

1806年阿拉戈与毕欧接受法国经度局的派遣,一道前往西班牙及地中海一带测量地球子午线年,法国与西班牙之间爆发战争,阿拉戈被西班牙人怀疑为间谍而遭拘禁。虽于数月后释放,但因战事不得不绕道北非回国,途中又经历多次风险,包括暴风雨和西、英军舰的抓捕,直到1809年才返回巴黎。

作为他在西班牙工作的奖励,阿拉戈被母校聘为几何学与大地测量学教授,这一年他只有23岁。同年他被选为法国科学院院士,从1830年起担任科学院天文数学部终身秘书。拿破仑还亲自任命他为巴黎天文台首席天文学家(相当于英国的皇家天文学家),从1843年开始担任该台历史上的第九任台长直到逝世。

创建于1795年的法国经度局也是大革命的产物,拉普拉斯、拉格朗日、勒让德尔等杰出科学家都参与了它的工作,他们的目标是建立具有牢固物质基础的物理量纲,一个公众能够了解的具体措施就是米制的强制推行。在革命的狂热期,这一制度的商人被当作保皇党与反革命惩处。法国科学家提出以经过巴黎的地球子午线的四千万分之一作为基本长度单位“米”,但是地球不是一个标准的球体,它在哪个方向上趋于隆起一直是18世纪天文学家和力学家争论的问题,而精确测量子午线长度是一项困难的任务。

1819年左右,阿拉戈与毕欧再次发起对沿着法国—英国海岸的子午线测量工作,连同他们以前在西班牙—地中海的测量结果,1821年发表了正式报告。阿拉戈等人主要借助钟摆频率的变化进行测量和计算,其结果对地球基本是一个两极压缩、赤道隆起的扁球体的结论提供了更精确的数据。

本初子午线涉及地理与时间原点的确立,关系到航海、贸易、交通以及国际科学合作等大议题。当时各国间未就此问题达成一致意见,在相当长的一段时间里,法国和欧陆一些国家采用经过巴黎的经线为本初子午线,阿拉戈为此倾注了极大的热情和心血。在他主政巴黎天文台期间,一条子午线被装饰在卡西尼厅内,并一直延伸到天文台建筑物之外的巴黎街头。

另一方面,英国人也极力主张以通过格林尼治天文台的经线年在比利时安特卫普召开的国际地理学会议上,代表们建议采用格林尼治子午线为零度经线。当时法国正陷于普法战争与巴黎公社引起的内乱之中,阿拉戈也早于18年前去世,因此法国人无力去捍卫这一“国家荣誉”。到了19世纪80年代,包括法国在内的世界各国也都接受了格林尼治子午线为零度经线。

阿拉戈兴趣广泛,特别精于光学与电磁学实验。他在物理学上的最早研究是关于不同温度中蒸汽压力的变化,以及音速的测量。在电磁学方面,阿拉戈与安培合作研究电与磁的相互作用并设计了具有磁性的通电螺线管,还发现了转动铜盘可以影响磁针偏转即旋转极化现象,这些都对法拉第的电磁感应理论产生了影响。他设计制造的偏光仪不但用于光的性质之研究,而且成为考察宇宙物质成分的重要工具。

阿拉戈是光的波动说的重要推动者,他与菲涅耳合作,利用偏振设备考察英国人托马斯·杨所发现的干涉现象,并于1817年将实验结果总结为菲涅耳-阿拉戈定律,表述处于不同偏振态的光束彼此之间的干涉性质。在天文学方面,阿拉戈于1819年用自己发明的偏光仪研究彗星成分,引起欧洲科学界的轰动。他在台长任上大力支持勒威耶对天王星运动反常现象的探索,这一研究最终导致了海王星的发现,成为牛顿引力学说最辉煌的证据之一。

这里插入一点英、法两国天文学家在发现海王星中的竞争并非多余。实际上,勒维耶1845年11月向巴黎科学院提交第一篇论文之前两年,刚从剑桥大学毕业的英国人亚当斯也在波德定律的启发下探索同一问题,并在1845年9月获得精确结果。他的天文学教授为此专门给格林尼治天文台台长埃里写了一封推荐信,手持推荐信的亚当斯见到了皇家天文学家埃里,但是后者没有引起足够重视。而得到阿拉戈鼓励与支持的勒维耶心无旁骛,又于1846年夏天提交了具有更精确计算结果的论文。

收到论文的埃里发现勒维耶对未知行星经度的预测与亚当斯的几乎一致,这才意识到问题的重要性。1846年9月23日,柏林天文台的天文学家在勒维耶建议的天区内发现了海王星。顺便说说,阿拉戈去世之后,勒维耶接任其职成为巴黎天文台第十任台长;而埃里在天文学史上仍然被人们记住,除了他的疏忽导致英国人错失独家发现海王星的优先权外,主要是在他的持续努力下格林尼治被接受为经度的原点。

与法国当时的许多知识分子一样,阿拉戈视拿破仑为大革命的继承者,向欧洲专制君主与天主教会同盟抗争的英雄。波旁王室复辟之后,他在相当长的一段时间里保持沉默,只是埋头科学研究,间或到英国和其他欧洲国家访问。然而他在法国科学界享有崇高的声望,同时他也很重视向公众普及科学知识。由于他的关照,一些老科学家得到保护,他们的著作得以整理出版。

他于1830年进入议会,在政治上属于温和的共和派。1848年二月革命爆发,他被选为临时政府的战争部长和海军部长,一度还曾出任临时政府执委会主席,期间通过了海外领地的《废奴法案》。1852年5月,当路易·波拿巴要求所有政府官员宣誓效忠时,阿拉戈断然拒绝并递交了从法国经度局辞职的辞呈。自诩“拿破仑三世”的路易·波拿巴只好说:“不要惊动这位老先生,他可以自由地发声与行事。”

1853年10月2日阿拉戈病逝于家中。巴黎市民为他举行了隆重的出殡仪式,他的遗体被送往拉雪兹神父公墓安葬。为了表示对这位科学家的纪念,巴黎市政府沿着巴黎“本初”子午线个铜牌,至今仍可见到。

作者:刘纯,2018年出任清华大学科学史系特聘教授。主要研究方向是中国古代数学史、中外科技交流史、西学东渐史。曾担任中国科学院自然科学史研究所所长、中国科学技术史学会理事长等。

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